基于光电开关的带材跑偏检测器的研究

1、传感器结业设计（论文） 基于光电开关的带材跑偏 检测器的研究 学生姓名：学生姓名：王保娥 指导教师：指导教师：任爽 所在学院：所在学院：信息技术学院 专专 业：业：电气工程及其自动化 中国大庆 2011 年 5 月 黑龙江八一农垦大学黑龙江八一农垦大学 本科毕业设计（论文）任务书本科毕业设计（论文）任务书 学生姓名所在班级计 2002 级(3)导师姓名导师职称 论文题目基于光电开关的带材跑偏检测器的研究 题目 分类 1应用与非应用类：工程 科研 教学建设 理论分析模拟 2软件与软硬结合类：软件硬件软硬结合非软硬件 （1、2 类中必须各选一项适合自己题目的类型在内打） 主要研究内容及指标： 主要

2、参考文献： 1(英)ian graham. object-oriented methods: principles&practice. third edition. pearson education. 2003 2李春葆等.visual basic 程序设计.北京：清华大学出版设.2005 阶段规划： 开题时间2001 年 12 月 28 日完成论文时间2002 年 5 月 30 日 专家审定意见： 系主任签字： 年 月 日 注：1任务书由指导教师填写后交给学生，要求学生妥善保存。 2此任务书夹于论文扉页与论文一并装订，作为论文评分依据之。 摘要 摘要摘要 本结业论文介绍了一种基于光电开关的

3、带材跑偏检测器。带材跑偏检测器可 以用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向，进而为纠偏控制电路 提供纠偏信号，主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。说明了光电开关 在现代生活中的重要地位，显示了光电技术及传感器在生产生活中重要价值。在 研究过程中，还详细介绍了光电开关中主要光电元件光敏电阻、光敏二极管和光 敏三极管的结构及特点。 关键词：关键词：光电开关光电元件带材跑偏检测 目录 目录目录 摘要摘要 .3 3 前言前言 .6 6 1.1.光电开关传感器原理光电开关传感器原理 .7 7 1.1 光电效应 .7 1.2 光电开关中的主要光电元件 .7 1.2.1光敏电阻.7 1.3光

4、电开关的基本原理.12 2.2.基于光电开关的带材跑偏检测器基于光电开关的带材跑偏检测器 .1414 3.3.在实际事物中的应用在实际事物中的应用 .1515 4.4.总结总结 .1616 参考文献参考文献 .1717 参考文献参考文献 .1818 前言 前言 在我们生活的这个大千世界里，人类已进入了科学技术空前发展的信息社会。 在这个瞬息万变的信息社会里，传感器为人类敏感的检测出形形色色的有用信息， 充当着电子计算机、智能机器人、自动化设备、自动控制装置的“感觉器官” 。如 果没有传感器将各种各样的形态各异的信息转换为能够直接检测的信息，现代科 学技术将是无法发展的。显而易见，传感器在现代科

5、学技术领域中占有极其重要 的地位。 本文选取了传感器的一个分支光电开关进行了研究。利用光电开关检测 带材是否跑偏设计了一个带材跑偏检测器。带材跑偏检测器可以用来检测带型材 料在加工中偏离正确位置的大小及方向，进而为纠偏控制电路提供纠偏信号。其 主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。说明了光电开关在现代生活中的 重要地位，显示了光电技术及传感器在生产生活中的重要价值。 正文 1.1.光电开关传感器原理光电开关传感器原理 光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束 的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属， 所有能反射光线的物体均可被检测。光

6、电开关将输入电流在发射器上转换为光信 号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。 1.1 光电效应光电效应 光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部 的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电 。通常把光电效应分为 3 类，如 表 3 所示。其中，光电开关就是内光电效应的一种应用。 表 1 光电效应的分类即相关元件 光电效应名称现象对应元件 外光电效应 在光线的作用下，能使电子逸出物体的 表面 光电管、光电倍增管 内光电效应 在光线的作用下，能使物体的电阻率变 小 光敏电阻、光敏二极管、 光敏三极管、 光敏达林顿管及光敏晶闸 管 光生伏特效应 在

7、光线的作用下，物体能产生一定方向 的电动势 光电池 1.2 光电开关中的主要光电元件光电开关中的主要光电元件 1.2.1 光敏电阻光敏电阻 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，如图 1 所示。在半导体光敏材料两端 装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里。两电极常做成梳状，可增加 灵敏度，如图 1b 所示。其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。 正文 图 1 光敏电阻 a）原理图 b）外形图 c）图形符号 光敏电阻的光照特性如图 2，是用于描述光电流与光照强度之间的关系。多 在自动控制系统中做开关式光电信号转换器。 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0 0.2 0

8、.6 0.8 1.0 光通量/lm 光电流/ma 图 2 光照特性 光敏电阻的光谱特性如图 3。光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光 敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射 波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。对应于不同波长，光敏 电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。选用时 一般把元件和光源结合起来考虑。 正文 0 500 1000 1500 2000 2500 20 40 60 80 100 硫化镉 硫化铊 硫化铅 入射光波长/nm 相对灵敏度/% 图 3 光谱特性 光敏电阻的伏安特性如图 4.伏安特性指在一定照度

9、下，加在光敏电阻两端的 电压与光电流之间的关系。在一定的光照度下，所加的电压越高，光电流越大， 而且没有饱和的现象；但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功 率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能 导致光敏电阻永久性损坏；在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。 0 0 1010 2020 3030 4040 5050 5050 100100 150150 200200 250250 u/v 图 4 伏安特性 光敏电阻的频率特性如图 5. 实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强 i/a 正文 改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，

10、这种惰性通常用时间 常数表示。 不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级）， 因而它 们的频率特性也就各不相同。多数光敏电阻的时间常数都很大。所以，它不能用 在要求快速响应的场合。 入射光调制频率入射光调制频率/hz/hz 相对灵敏度相对灵敏度/%/% 0 0 1010 102102 103103 104104 105105 2020 4040 8080 100100 硫化镉硫化镉 硫化铅硫化铅 6060 图图 5 5 频率特性频率特性 光敏电阻的温度特性如图 6.随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱 特性曲线的峰值向波长短的方向移动。 提高灵敏度(接收较长波段的辐射):将元件降

11、温使用。例如，可利用制冷器使 光敏电阻的温度降低。 100100 150150 200200 -50-50-10-10303050501010-30-30 t/ c i / a 正文 100100 2020 4040 6060 8080 0 0 1.01.0 2.02.0 3.03.0 4.04.0 5.0 /m i / ma +20+20 c -20-20 c 图 6 温度特性 1.2.2 光敏二极管光敏二极管 光敏二极管如图 7 所示。从图 7c 可以看出，光敏二极管在电路中，处于反向 偏置状态。 当光照射在光敏二极管的 pn 结（又称阻挡层）上时，在 pn 结附近产生的电 子空穴对数量也

12、随之增加，当在光敏二极管两端施加电压后，流过 pn 结的光电 流 i 也相应增大，光电流与光照度 e 成正比。 图 7 光敏二极管 a）外形图 b）内部结构 c）结构简化图 d）图形符号 1负极引脚 2管芯 3外壳 4聚光镜 5正极引脚 正文 光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。当光不照射时， 反向电阻很大，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作 用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，pn 结附近受光子 轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使 p 区和 n 区的少数载流子浓度大大 增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， p 区的少数载

13、流子渡越阻挡层进 入 n 区， n 区的少数载流子渡越阻挡层进入 p 区，从而使通过 pn 结的反向电流 大为增加，这就形成了光电流。当光照射时，光敏二极管处于导通状态。 1.2.3 光敏三极管光敏三极管 光敏三极管与普通三极管相似，也有电流放大作用。npn 型光敏三极管示意 图如图 8 所示。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚， 所以其外形与光敏二极管相似，从外观上较难区别。 图 8 光敏三极管示意图 a）内部组成 b)原理电路 c）图形符号 1集电极引脚 2管芯 3外壳 4聚光镜 5发射极引脚 如图 8b,当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光

14、 线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉 到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向 集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的 倍。 1.3 光电开关的基本原理光电开关的基本原理 组成光电开关的光电藕合器简称(光藕)可分为反射型和遮蔽型两种。反射型 光藕的探头中, 发光二极管和光敏三极管封装在同一端面上(如图 9a)。当有物体 靠近探头时, 由发光管射出的红外光束被反射到三极管的受光面, 光祸被响应, 正文 输出信号产生逻辑翻转(例如输出由低电平跳至高电平)。遮蔽型光藕的探头如图 9b。发光二极管和光敏三极管分别封装在“u

15、”形塑料支架的两侧。通电后、发光 管射出的光束恰好射人三极管的受光面。当有薄形物体进人 u 形支架槽内使光线 被遮蔽, 传感器输出就会发生逻辑翻转。 图 9 光耦探头 （a）反射型 （b）遮蔽型 光电开关工作原理电路如图 10。通电后, 光敏管受到发光管的光照, c、e 间 呈低阻状态, 使 v1 导通, v1 集电极呈低电平、v2 截止。当物体插人光藕槽内使 光线被遮蔽时, v1 截止、v2 导通,使 v2 发射极输出高电平。 图 10 工作原理图 正文 2.基于光电开关的带材跑偏检测器 光电开关在带材跑偏检测上的原理如图 11。光源发出的光线经过透镜 1 会聚 为平行光束，投向透镜 2，随

16、后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜 2 的 途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，使传到光敏电阻的光通量减少。 图 11 带材跑偏检测工作原理 图 12 为测量电路简图。r1、r2 是同型号的光敏电阻。r1 作为测量元件装在 带材下方，r2 用遮光罩罩住，起温度补偿作用。当带材处于正确位置（ 中间位） 时，由 r1、r2、r3、r4 组成的电桥平衡，使放大器输出电压 u0 为 0。当带材左 偏时，遮光面积减少，光敏电阻 r1 阻值减少，电桥失去平衡。差动放大器将这一 不平衡电压加以放大，输出电压为负值，它反映了带材跑偏的方向及大小。反之， 当带材右偏时，u0 为正值。输出信号 u0 一方面

17、由显示器显示出来，另一方面被 送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。 图 12 带材跑偏检测的测量电路 正文 3.在实际事物中的应用 光电开关在工业自控设备中应用极广。与传统的机械行程开关相比, 光电开 关无触点、无机械碰撞、响应快、控制精度高, 而且能识别色标, 因此, 光电开 关越来越受到电气工程师的青睐。许多包装机、印刷机、纺织机等都用它进行限 位、换向、同步、测速及其他控制。 总结 4.总结总结 光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束 的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属， 所有能反 射光线的物体均可被检测。光电开关将输入

18、电流在发射器上转换为光信 号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。安防系 统中常见的光 电开关烟雾报警器，工业中经常用它来记数机械臂的运动次数。 光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化 转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔 离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。光电开关采用集成电路技 术和 smt 表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、 抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。这种新颖的光电 开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的冷光源 有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触，无损伤地迅速和控制各种固 体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。 接触式行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿 命短等缺点，而晶体管接近开关的作用距离短，不能直接检测非金属材料。但是， 新型光电开关则克服了它们的上述缺点，而且体积小、功能多、寿命长、精度高、 响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强。 参考文献 参考文献 参考文献 参考文献 这部分是参考文献内容参考文献一律放在结论